第52章 电流与磁生电

  “看来大家都很有收获。”孟川看着投影仪上展示的各种创意作品——有用易拉罐和锡箔纸做的，有用塑料瓶和铝箔做的，甚至有个学生用薯片桶和头发验证了静电感应。

  他关掉投影，在黑板上写下新的标题：

  电流的形成

  “上节课我们学习了静止电荷的性质和规律，”孟川转身面向学生，“但电荷真正展现威力，是在它流动起来的时候。今天，我们就来探讨电荷如何流动，以及流动时会发生什么。”

  “要理解电流，首先要理解一个核心概念——电源。”孟川在黑板上写下这两个字，“什么是电源？顾名思义，就是电的源头。”

  他拿起一节干电池，又指了指墙上插座旁的标识。

  “干电池、蓄电池、发电机，这些都是电源。它们的作用，就像水泵把水从低处抽到高处一样，把电荷从低电势处‘搬运’到高电势处，从而在电源两极之间形成电势差，也叫电压。”

  孟川画了一个简单的示意图：电源内部，正电荷被推到正极，负电荷被推到负极。

  “有了电压，就像水管两端有了水位差。”他画出外电路——用导线连接电源两极，“如果我们用导线把正负极连接起来，在导线中就会形成一个电扬，自由电子就会在电扬力的作用下定向移动。”

  说到这里，他停顿了一下，意识到需要先解释一个关键点。

  “不过，这里有个历史形成的约定。”孟川在黑板上写出“电流方向”四个字，“在物理学中，我们规定：正电荷定向移动的方向为电流方向。”

  他画出示意图：在金属导线中，实际移动的是带负电的自由电子，它们从电源负极流向正极。

  “但电流方向，我们规定是从电源正极流向负极。”孟川用红色箭头标出这个“约定方向”，“这是历史上一个美丽的误会——在发现电子之前，人们以为移动的是正电荷。这个规定沿用至今，大家要记住，电流方向是正电荷移动的方向，与实际电子移动方向相反。”

  宋，汴京万象书院。

  沈括听到这里，眉头紧锁。

  “正电荷流动的方向，”他喃喃自语，“可孟先生之前说过，金属中能自由移动的是电子，是负电荷。那这‘正电荷流动’怎么解释。”

  他忽然明白了：“此乃人为规定！非实际如此！”

  这个认知让他既惊讶又兴奋。惊讶的是，物理学家们竟然可以“规定”一个方向；兴奋的是，这种规定让问题简化了——无论实际移动的是什么，都按“正电荷流动”来思考。

  “妙！”沈括提笔疾书，“科学之道，不仅有发现，还有约定。约定既定，则论述统一，思维清晰。此乃建立体系之要义也！”

  他想起了自己编撰《梦溪笔谈》时遇到的难题：各地度量衡不一，同物异名者甚多。若也能建立一套“约定”，类似秦始皇的一同度量衡。

  这个念头让沈括激动起来。原来学问做到深处，不仅是发现规律，还要建立一套清晰、无歧义的语言和规则体系！

  光幕中，孟川继续讲解。

  “那么，如何描述电流的强弱呢？我们引入一个物理量——电流强度，简称电流，用字母I表示。”

  他在黑板上写下定义式：

  I = Q/t

  “它的物理意义是：单位时间内通过导体横截面的电荷量。如果1秒内有1库仑的电荷通过，电流就是1安培，符号A。”

  孟川拿起一个演示用的电流表，连接到简单的电路中——一节电池、一个开关、一个小灯泡。

  “看，闭合开关时，灯泡亮了，说明有电流通过。”他指着电流表指针的偏转，“电流表测量的是电流大小。如果改变电池数量，或者改变灯泡，电流大小就会变化。”

  他做了几组演示：用一节电池和两节电池对比，用不同功率的灯泡对比。

  “但是，如果电路中的电源和电阻都不变，”孟川强调道，“那么电流的大小和方向就不随时间改变，我们称之为恒定电流。”

  他在黑板上写下“恒定电流”四个字，并画出对应的I-t图像——一条水平直线。

  “这是我们接下来要重点研究的电流类型。它最简单，也最基础。”

  秦，咸阳密室。

  公输远和年轻工匠们看着天幕中的演示，眼中满是困惑。

  “灯泡，那是什么东西？”一个年轻工匠小声问。

  “像是会自己发光的琉璃。”另一个说。

  公输远摇摇头：“重点不在那灯，而在那‘表’。”他指着电流表，“孟先生说，那东西能测‘电流强弱’。”

  “可是匠师，”最年轻的工匠、刚满十六岁的阿竹迟疑道，“咱们既没有那会亮的灯，也没有那会动的表怎么知道电荷在不在流？流得多还是少？”

  这个问题问到了关键处。

  他们通过摩擦能让验电器的金箔张开，能感觉到静电的“存在”。但“电流”看不见摸不着，怎么知道它在流动？又怎么知道流得“强”还是“弱”？

  公输远沉默良久，缓缓道：“咱们没有孟先生的器具，但孟先生给了咱们思路。”

  他指着天幕中那个简单的电路图：“电池产生‘电压’，就像水车产生‘水位差’。导线连接，就像水路连通。电荷流动，就像水在水管里流。”

  “那咱们怎么知道水在流？”公输远反问。

  阿竹想了想：“看水车转不转？看水管出口有没有水出来？”

  “对！”公输远眼睛一亮，“虽然咱们看不见电荷，但电荷流动会产生效果！孟先生用灯泡发光来显示——灯亮，说明有电流；灯更亮，说明电流更大。”

  他站起来，在密室里踱步：“那咱们能不能找到电荷流动的其他效果？比如热？孟先生说过，摩擦生电时会发热。那电流流过时，会不会也让东西发热？”

  这个想法让所有人都激动起来。

  “试试！”公输远说，“找最细的铁丝，接在咱们自制的‘电池’——就是那些铜片和盐水中间，摸摸看热不热！”

  他们不知道，这个朴素的想法，已经触摸到了电流热效应的边缘。

  “那么，从微观角度看，电流到底是什么呢？”光幕中，孟川开始讲解最核心的部分。

  他在黑板上画出金属导体的放大示意图：整齐排列的金属正离子构成晶格，其间有大量自由电子在无规则热运动。

  “没有电扬时，”孟川画出杂乱无章的电子运动轨迹，“自由电子像一群无头苍蝇，朝各个方向随机运动，平均速度为零，所以宏观上没有电流。”

  然后他画上电扬——从正极指向负极的箭头。

  “加上电扬后，”孟川用红色标出电子的新运动，“每个自由电子都会受到与电扬方向相反的电扬力，从而在无规则热运动的基础上，叠加一个漂移速度，方向与电扬相反。

  他在示意图旁画出速度分布图：杂乱的热运动速度很大（约10? m/s），但漂移速度很小（约10?? m/s）。

  “虽然漂移速度很小，但数量庞大的自由电子集体定向移动，就形成了宏观电流。”孟川写出公式：

  I = n e S v_d

  其中n是自由电子数密度，e是元电荷，S是横截面积，v_d是漂移速度。

  “从这个公式可以看出，”孟川分析道，“电流大小取决于四个因素：材料中自由电子的多少、每个电子带的电荷量、导体有多‘粗’、以及电子漂移得有多快。”

  明，南京天工院。

  宋应星听到“漂移速度”时，猛地抬起头。

  “热运动速度极大，漂移速度极小，”他反复咀嚼这两个概念，“这就是说，电子主要是在胡乱碰撞，只是极其缓慢地‘漂’向一个方向？”

  他忽然想起了长江上的运粮船队。

  “就像漕运！”宋应星对助手激动地说，“江面上，水分子时刻在胡乱运动，速度快得很。但整条江的水，却缓慢地流向东方。这水的‘整体流动速度’，就相当于电子的漂移速度！”

  助手想了想：“院正的意思是，电子就像水分子，单个动得飞快但方向杂乱，整体却缓慢定向移动？”

  “正是！”宋应星在纸上画着，“而且孟先生说了，这漂移速度很小，很小这意味着什么？”

  他思考着，忽然一个激灵：“意味着电子在导体中移动得很艰难！要不断碰撞，不断改变方向，所以整体前进得很慢！”

  这个认知让他震撼。原来电流不是电荷“顺畅”地流动，而是在碰撞中艰难“跋涉”！

  “那这又说明什么呢？”助手迟疑道，“如果把导体做得特别光滑，让电子少碰撞，是不是漂移速度就快了？电流就大了？”

  宋应星眼睛一亮：“有可能！这或许就是不同材料导电能力不同的原因——有的材料‘路’平坦，电子走得顺；有的材料‘路’崎岖，电子走得难！”

  虽然这个类比很粗糙，但那一刻，宋应星觉得自己真正“看见”了电流的微观图景。那不是神秘的力量，而是亿万个微小粒子在电扬驱动下的集体迁徙。

  光幕中，孟川开始做本章小结。

  “今天我们学习了电流的基本概念：电源提供电压，驱动电荷定向移动形成电流；恒定电流是大小方向都不变的电流；从微观上看，电流是自由电子在电扬作用下叠加了漂移速度的集体定向运动。”

  他擦掉部分板书，留下核心内容：

  电源 → 电压 → 电扬 → 电子定向漂移 → 电流

  “但这引出了新的问题，”孟川话锋一转，“有什么方法能产生电流呢？”

  他拿起一根条形磁铁，又拿起一个线圈。

  “如果我把磁铁插入线圈，或者从线圈中拔出，”孟川演示着，“线圈中会不会产生电流？”

  他没有接通任何电源，只是把磁铁在线圈中来回移动，同时连接在线圈两端的灵敏电流计指针果然发生了偏转！

  “看，没有电池，只有磁铁和线圈的相对运动，也产生了电流！”孟川放下器材，“这种现象，我们称之为电磁感应。”

  他看向台下惊讶的学生们，微微一笑：

  “而这，就是我们下节课要讲的内容——如何不用电池，也能获得电流。”

  天幕恰到好处地开始黯淡。

  孟川最后的话语在万朝时空中回荡：

  “从雷电到磁石，从琥珀到线圈，人类对电的探索，正在揭开一个又一个惊喜。下节课，我们将看到电与磁的第一次真正握手。”

  万朝天穹下，一片寂静的沸腾。

  宋，汴京。

  沈括已经铺开新的稿纸，开始画设计图。

  “磁石、线圈、相对运动，”他一边画一边自语，“关键在于‘动’。磁石动，或者线圈动。”

  他画了两个方案：一个是让磁石在线圈中来回抽动；一个是让线圈在磁石旁边转动。

  “但如何知道产生了电流？”沈括停笔思考，“孟先生用‘电流计’，咱们没有。但孟先生说过，电流流过导体会发热，如果电流够大，还可能让铁针磁化。”

  他忽然想起一个现象：“对了！如果线圈中有电流，它自己会不会也变成磁石？如果是，那不就能吸铁了？”

  这个想法让他激动得手都抖了。如果成功，他们不仅能看到电流的产生，还能看到电流的效应——把电又变回磁！

  “下节课就都知道了，”沈括望向天空，“孟先生说，那是电与磁的第一次握手。而我等或许能亲眼见证这次握手！”

  更多的地方，相似的期待在滋长。

  铁匠铺里，工匠们翻找着收藏的磁石。

  道观中，炼丹师们看着炼丹炉旁用来搅拌药液的磁石搅拌棒，陷入了沉思。

  甚至皇宫内库，管事的太监也在盘点库存的“磁石”和“精铜”。

  一种无形的浪潮正在涌动。

  当光幕完全消失，冬日的太阳重新照耀大地时，万朝时空下，成千上万的人开始行动。

  他们寻找磁石，打磨铜丝，制作线圈。

  他们或许不知道精确的原理，或许做不出精密的仪器，但他们有一个共同的信念——

  下节课，孟先生将展示一个奇迹：让磁生出电。

  而在那之前，他们要尽可能做好准备，用自己粗糙的双手和材料，去触碰那个即将展开的新世界。

  寒风依旧凛冽，但一种灼热的期待，已经在千古时空中悄然点燃。